【汽車】熱塑性復合材料：水平車身面板螺母開裂
◆RLE International 開發了一種創新的低成本/低壓壓縮成型變體和熱塑性夾層板技術，自 2019 年起已在一輛商用車的內部隔板（上圖）上投入生產。目前正在研究將該技術用于生產車頂外板和引擎蓋。
至少五十年來，全球汽車復合材料供應鏈的重要工作都集中在努力使熱塑性復合材料成為A級飾面水平車身面板的可行選擇，包括發動機罩、車頂和艙蓋（行李箱蓋）。(下面，部分A簡要介紹了復合材料車身面板的歷史，部分B討論了為什么需要復合材料車身面板）。從 20 世紀 50 年代開始，熱固性復合材料取代了半結構/垂直和全結構/水平車身面板上的金屬。自 20 世紀 80 年代起，熱塑性復合材料開始間歇性地應用于垂直車身面板，如保險杠面板和擋泥板；自 20 世紀 90 年代起，熱塑性復合材料開始應用于門板和其他飾件；自 21 世紀初，熱塑性復合材料開始應用于舉升門。然而，事實證明，在水平面板上使用這一類材料很難滿足汽車行業對性能、成本和美觀的要求。
◆插圖作者：Susan Kraus。原始圖片來源：RLE International
這種情況可能正在發生變化，這要歸功于英國的一種低壓壓縮成型和熱塑性夾芯板技術。4 年來，該技術一直在為一輛額定載重 2 噸的輕型商用車生產大型隔板。本文討論的最新工作表明，該技術可將設計靈活性、機械性能、經濟快速的加工和表面美學完美地結合在一起，最終可用于水平外板。
A /汽車復合材料車身面板簡史
◆通用汽車公司生產的八代雪佛蘭 Corvette 復合材料車身跑車展示了復合材料車身面板的有趣發展歷程。圖片來源：通用汽車公司
熱固性復合材料在乘用車上的應用歷史悠久，可用于半結構垂直和全結構水平車身外板以及底盤/單體部件。玻璃纖維增強塑料（GFRP）于 1953 年首次出現在當時的通用汽車公司（現為通用汽車公司，GM，美國密歇根州底特律市）生產的新型雪佛蘭克爾維特跑車的所有車身外板上。20 世紀 60 年代，在科爾維特跑車上，手糊玻璃鋼被循環速度更快、更穩定的壓縮模塑片狀模塑料（SMC）所取代。從那時起，SMC 的使用范圍已經超出了車身面板，包括結構拾取盒、底盤部件以及最近的電動汽車電池組的大型保護罩。此外，碳纖維/熱固性基復合材料從 20 世紀 90 年代的一級方程式和二級方程式賽車的重要部件，過渡到車身面板，后來又從 2000 年代初開始過渡到街車（包括克爾維特）的整個整體車身。
注塑成型的短玻璃纖維增強熱塑性塑料于 20 世紀 80 年代初首次應用于非結構性保險杠面板，到 20 世紀 80 年代中期，開始向擋泥板等其他垂直面板過渡。1990 年，通用汽車的土星汽車首次亮相，所有垂直車身面板均采用注塑熱塑性復合材料。不過，發動機罩、擋泥板和車頂仍采用沖壓鋼板，最終在 2010 年停產之前，整個車身外部都過渡到了鋼板。
這十年間，通用汽車的其他幾款車型也采用了熱塑性垂直面板，例如德國慕尼黑寶馬汽車公司（BMW AG）限量版（1989-1991 年）Z1 跑車，以及后來戴姆勒股份公司梅賽德斯-奔馳分部（現為德國斯圖加特梅賽德斯-奔馳股份公司）于 1997 年推出的小巧的 smart fortwo 微型車。smart 是第一款采用全熱塑車身面板的汽車，盡管引擎蓋和車頂面板確實非常小。2007 年，smart 成為第一款從玻璃纖維增強聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯（GR/PC-PBT）轉向滑石粉填充熱塑性聚烯烴（TPO）的乘用車。
在過去的 15 年中，滑石粉填充熱塑性聚烯烴在垂直車身面板上慢慢取代了 GR/PC-PBT 和 GR/改性聚苯醚-聚酰胺（GR/MPPE-PA）等工程熱塑性塑料。2014年，日產Rogue跨界多功能車（CUV）首次采用全熱塑性舉升門（滑石粉/熱塑性聚烯烴外板與長纖維熱塑性聚丙烯（LFT-PP）內板粘合），這是另一個歷時10年的重要里程碑。此后，其他越野車和 CUV 也紛紛效仿。
降低質量的方法
故事開始于 2015 年左右，一家汽車制造商的工程團隊找到 RLE 國際公司（德國科隆）英國辦事處，尋求幫助降低商用車的成本和質量。RLE 因其汽車設計和工程工作而聞名全球，尤其是在主要車身結構和內飾方面。因此，該公司提供全面的 CAE、工程設計、造型可行性和發布支持。RLE 團隊提出了幾種金屬到復合材料的轉換方案，以降低成本和質量，其中包括全結構/水平式外部頂板和客艙與貨艙之間的半結構/垂直式內部隔板。
聯合小組首先解決了技術上較為容易的艙壁問題。在接下來的幾年中，艙壁設計不斷發展，最終使該技術通過了所有原始設備制造商的性能要求。為滿足原始設備制造商的最大 12 千牛頓沖擊力要求，最終的艙壁采用了單層輕質增強熱塑性塑料 (LWRT) 面板，包括聚丙烯 (PP) 浸漬的可懸浮、短玻璃、低克/平方米 (GSM) 形式的玻璃氈熱塑性塑料 (GMT) 復合材料，夾心為 0°/90° 單向 (UD) 玻璃纖維帶（也可使用織物編織）。選擇 LWRT 蒙皮材料是為了提供良好的未涂漆表面效果。
設計結果
◆與鋼材和 SMC 相比，結構面板的質量減少了 ≥50%，半結構/美觀面板的質量減少了 ≥60%，同時與碳纖維增強塑料 (CFRP) 外面板的質量相匹配。
◆成型周期短（90-120 秒），具有出色的低溫抗沖擊性，可選擇模內著色和 100% 報廢回收。
隔倉板是在室溫下通過低成本/低壓（3.4-4.5 巴）"熱壓/凝固 "變體在匹配的金屬模具中壓縮成型，成型時間小于 90 秒。模具既不加熱也不冷卻，但夾層結構中使用的材料在成型前要預熱。由于模具沒有剪切邊緣，因此在脫模后需要進行水刀修整，以清理零件邊緣并切割所需的孔洞。一體式面板取代了多件式鋼/聚氨酯泡沫襯墊組件，重量減輕了 5.2 千克，降低了單件成本，模具投資減少了 80%。此外，這種全玻璃纖維/烯烴夾層結構在部件壽命結束時可完全回收利用。該獲獎艙壁自 2019 年起投入商業使用，年產量為 60,000 至 70,000 件，但據報道，該工藝的單個工具年產量可達 90,000 件。
獨辟蹊徑
RLE的團隊（由內飾/外飾開發主管 Mark Grix 領導）相信同樣的技術也適用于車頂外板，因此選擇獨自開發 A 級水平車頂板。Grix 自 20 世紀 90 年代在通用電氣塑料公司工作以來，一直從事熱塑性車身外板的開發工作。
由于團隊預算有限，因此需要采取巧妙的方法。其中一種方法是獲得三塊免費的鋼制車頂外板--打算在裝有隔板的商用車上用作焊接車頂板的外層/表層。這些鋼板身兼兩職。其中一塊被掃描并用于創建模板，以快速設計面板的外表皮，從而大大縮短了 CAE 時間。由于車頂面板的內部（B 面）不是概念驗證的一部分，因此團隊只關注外部（A 面）的幾何形狀和表面光潔度。
另外兩塊鋼板被用來制作低成本的成型工具，其中一塊作為核心，另一塊作為模腔，用于成型相對平整的復合屋面板的 A 面和 B 面。該車頂工具隨后被用于在開發項目中成型復合材料面板，Grix 稱它從一開始就生產出了出色的部件。
從與商用艙壁類似的夾層結構開始，鋪設、成型和評估了許多不同的表皮和芯材組合（總厚度從 3 毫米到 5 毫米不等），以開發車頂板概念。在對各種材料進行預熱后（不同的層受熱時間可能不同），在裝有上述工具（保持室溫）的壓縮壓力機中手動鋪設，并通過熱壓成型。研究人員再次將有效循環時間設定為 90 秒。
屋面板是在 Airborne 公司（荷蘭海牙）在英國擁有的一家工廠進行模壓成型的，目的是進一步發展這一概念，并為夾芯板結構實現表皮和芯材的正確組合。Airborne 公司的設備非常理想，因為它配備了一個可以加熱整個 1.75 × 2.0 米頂板的超大烤箱，可以將材料加熱到 240°C。具有諷刺意味的是，這個烤箱實際上對面板來說太大了，因此我們將烤箱的一部分隔開，這樣材料的停留時間就不會太長，而且材料可以從烤箱的側面而不是末端送入。
隨后，對各種面板材料組合進行了小規模的實驗室測試。最終，最有希望的候選材料通過西卡股份公司（瑞士巴爾）生產的 1K 結構聚氨酯粘合劑粘合到了測試車輛的車頂環/弓上，并接受了額外的車輛級測試。
◆RLE 在沒有原始設備制造商關于開發車頂面板規格的情況下，將工作重點放在外部表皮上，目的是將車頂箍/弓保持在原位，并將復合材料解決方案粘接到當前金屬車頂使用的現有焊接法蘭上。之所以能做到這一點，是因為復合材料結構的線性熱膨脹系數（CLTE）較低。隨后的測試表明，目標熱塑板的線性熱膨脹系數接近鋁的線性熱膨脹系數。圖片來源：RLE International
德利特制
由于最終的復合材料是在加固和成型之前在壓力機中組裝的，因此根據應用所需的性能和表面處理要求，RLE 的技術在材料類型方面具有極大的通用性，可以組合成最終面板的表皮、內核和外表面處理。幾乎可以使用任何類型的片狀熱塑性復合材料（如膠帶、GMT、有機片、LWRT）。唯一的要求是聚合物基體必須具有化學相容性（以實現良好的材料流動性，確保成分均勻），并且具有相似的玻璃化轉變溫度（Tg），以便在同一烘箱中加熱，而不必擔心溫度較高的材料會在固結/成型完成之前熔化溫度較低的材料。
"Grix 解釋說："每種應用的要求都不盡相同，因此我們可以靈活地使用 FVF（纖維體積分數）從 20% 到 50% 不等的材料，不過我們通常希望材料的 FVF 在 30-40% 左右。"測試表明，使用更高的纖維體積分數并沒有好處。事實上，如果玻璃（與樹脂）的比例過高，就會影響沖擊強度和層間的附著力。要獲得良好的表面，絕對需要足夠的樹脂。
對于控制表面光潔度的最上層美觀層，候選材料包括啞光或亮光熱塑性薄膜、紡織品、無紡布/織物組合，甚至是抗劃痕/抗紫外線硬涂層或柔軟觸感熱塑性聚氨酯（TPU）涂層。同樣，這項技術的優點在于它可以很容易地進行即時修改，以滿足許多行業的應用需求。
◆迄今為止，RLE 已使用預著色薄膜和低成本鋁制模具，在小于2分鐘的周期內，直接從模具中生產出耐用、抗紫外線的光面或啞光表面的A級汽車面板。與鋼板相比，復合材料可使結構板的質量減輕 50%，使外部/半結構板的質量減輕60%。此外，即使在低溫條件下，復合材料也能提供出色的抗沖擊強度，并可在報廢后完全回收利用。這種熱塑性夾芯板技術不僅受到汽車行業的關注，也受到其他地面交通領域的關注。圖片來源：RLE International
該團隊研究了熱塑性樹脂系統（主要是烯烴和聚酰胺系列）和增強材料（包括切碎、UD 和編織物）的不同組合，用于車頂夾芯板的表皮和芯材。由于其位置較高，開發中的屋頂板不需要 A 級飾面。最初使用的是預著色的黑色材料，也嘗試過啞光白色面板。最近，格里克斯和他的團隊通過在工具中應用薄膜層以及嘗試硬涂層飾面，提高了紫外線穩定性和抗劃傷性。面板可以使用對比色，也可以與車身其他部分搭配。開發型車頂面板或商用隔板都不需要金屬加固。如果整個鋼質車頂（而不僅僅是一塊面板）都改用熱塑性夾層技術，Grix 預計可節省 24.5 公斤的重量。
是否已準備就緒？ 汽車制造商喜歡問的一個大問題是，一個概念目前處于什么技術就緒水平（TRL），而 Grix 的回答是，車頂面板概念已經相當成熟。
"他解釋說："你仍然需要進行一些針對原始設備制造商的測試，如環境穩定性、NVH（噪聲/振動/聲振粗糙度）等，但就所有意圖和目的而言，車頂面板使用了與隔板相同的材料系列和相同加工方法的變體，而隔板在過去四年中已經進行了相當大批量的商業生產。他解釋說："這種技術的靈活性意味著，如果你需要提高抗紫外線性能或抗劃痕性能，甚至需要使面板更厚、更薄或更堅硬，我們都可以做到。我們花了很多時間來真正了解這項技術，以及從工具中直接生產出優質面板所需的條件。
◆RLE 研究的另一個開發項目是使用熱壓/三明治板技術生產罩子。在這種情況下，外面板使用了溫度更高的聚酞胺 (PPA) 基質。該團隊再次發現，與鋼材相比，這種可回收面板的質量節省超過 50%，并且具有出色的 PedPro 性能。圖片來源：RLE 國際
據報道，RLE 正在與汽車一級制造商和其他地面運輸領域（如農用設備和高爾夫球車）的原始設備制造商進行討論，以實現內部和外部應用的商業化。
這項技術的下一步是什么？"Grix 說："（在配方正確的情況下）這項技術沒有理由不能用于符合 PedPro（行人保護）標準的引擎蓋。"我們已經生產出了一種開發型頭罩，小規模測試表明，我們的能量吸收和消散性能比熱固性塑料或鋼材更好。此外，我們還探索將這種技術不僅應用于相對簡單的面板，還應用于幾何復雜性更高的汽車內飾高拉伸面板。我們認為，對于在多個行業尋求輕質面板技術的原始設備制造商來說，這是一個成功的組合。我們非常愿意與任何有興趣進一步探討這一問題的人合作。
B /熱塑復合材料車身面板：優勢與挑戰
與熱固性復合材料或金屬相比，熱塑性復合材料是車身外板的理想材料，原因有很多。首先，它們往往更輕（比重更低），具有更好的耐損傷性（抗沖擊強度）--這是滿足 PedPro 要求的一個優勢，而且它們能提供更好的出模表面，減少模后加工。
與熱固性材料不同，熱塑性復合材料可回收（可熔融再加工），因此更容易重復使用廢料，并從報廢零件中回收可用材料--這對于向歐盟銷售汽車的企業來說是一個重要的特點，而且熱塑性復合材料在供貨時已完全聚合，這意味著成型周期更短，可重復性和再現性（R&R）更好，因此更適合大批量生產，并有助于抵消通常較高的原材料和模具成本。與金屬相比，熱塑性塑料還提供了更大的設計自由度，并為零件集成（減少零件數量）、插入硬件（便于連接）和簡化模后裝配提供了大量機會。
盡管熱塑性復合材料具有諸多優點，但與所有材料一樣，它們也面臨著必須克服的挑戰。例如，與鋼或鋁相比，早期的整體式熱塑性復合材料車身面板具有更高的熱膨脹系數（CLTE），不連續的纖維加固要求復合材料與金屬面板之間留有大于理想的間隙，以適應溫度循環過程中的尺寸變化。如果沒有這種美學上的權衡，車門等可移動面板有時就無法打開或關閉。這一問題在很大程度上是通過以下方法解決的：將整體面板改成成對的粘合內/外面板--帶或不帶芯--以及在片狀復合材料（如 GMT/organosheet）和熱塑性塑料帶中使用較長的短切/非連續纖維增強材料以及連續纖維無紡布、單向和編織增強材料。
另一個問題是，汽車行業青睞的熱塑性塑料牌號（主要是聚丙烯、聚酰胺 6 或 6/6，以及聚酰胺或熱塑性聚酯與 PC 或 MPPE 的混合物）缺乏熱穩定性，無法在白車身（BIW）電泳涂裝（e-coat）和噴漆后承受烘烤爐的溫度。這增加了裝配的復雜性和成本，因為面板必須離線噴涂，并在汽車裝配流程的后期階段添加。雖然熱塑性塑料板的噴漆仍需離線完成，但在改善模塑著色（MIC）板的紫外線穩定性、色彩深度和金屬特效方面已做了大量工作，之后只需清漆即可完成。此外，薄膜技術也取得了長足進步，它提供了比油漆更耐用的表面，符合汽車制造商降低油漆成本和環境負擔的努力。
另一個配方問題是在剛度和沖擊力之間取得適當的平衡，以避免使用大型金屬支架將垂直面板懸掛在車輛上。與此相關的一個問題是，由于剛度和強度通常低于金屬的數值，因此通常需要采用幾何形狀（如肋條）來實現面板的可比機械性能。然而，這往往會導致名義壁較厚，從而引起包裝問題。面對必須重新設計現有車輛的車身結構以適應更厚的復合材料面板的前景，大多數原始設備制造商都會選擇放棄。對于熱塑性烯烴（TPO）材料來說，將非連續纖維增強材料與礦物填料相結合的精心配方工作，已使這些材料在外部垂直面板的表皮上占據了主導地位。此外，通過從整體面板設計轉變為粘合內/外面板，無法滿足 A 級要求的結構性內面板與無法單獨滿足機械要求的 A 級外皮相輔相成。
數十年來，熱塑性水平面板之所以無法使用，最大的挑戰可能就是在高溫下的下垂和長期蠕變問題。這有幾個原因。首先，熱塑性塑料在接近其 Tg 的溫度范圍內會軟化，從而導致機械性能的逐漸喪失，包括承載負荷和自支撐的能力。這種特性使熱塑性塑料更容易回收利用，但也會損害其在高溫下的長期機械完整性。在某種程度上，從短纖維/非連續纖維加固改成連續纖維加固，以及從整體板材改成帶或不帶芯材的粘合板材，都有助于解決這一問題。
與此相關的一個問題是如何獲得足夠高的 FVF 或 FWF，以改善高溫期間的機械性能。熱塑性聚合物在供應時已預聚（成型前分子鏈很長），這意味著即使在熔融溫度下，它們與許多液態熱固性體系相比也相當粘稠。這就很難實現高水平的纖維浸潤和浸漬。因此，即使在今天，FWF 值超過 40% 的注塑成型產品也很有限，而許多熱固性技術允許達到高達 70% 的 FVF 值。在某種程度上，解決這一問題的方法包括：謹慎選擇樹脂（例如，使用支鏈型聚丙烯而非線型聚丙烯，后者的粘度較低），修改熱塑性膠帶和 GMT/organosheet 生產的層壓工藝，以及最近使用低粘度己內酰胺單體進行浸漬，然后反應聚合成 PA6。其代價是較長的循環時間（更像熱固性塑料）和專業設備。不過，隨著時間的推移，在熱塑性復合材料中加入更多纖維，特別是更長的連續纖維的能力不斷提高，這極大地促進了熱塑性復合材料在越來越多的結構性應用中的使用。這里需要權衡的一點是，對于外觀美觀的表面來說，較高的 FVF/FWF 可能會導致纖維穿透。解決這一問題的部分方法是使用薄膜、對面板進行噴漆或紋理處理，或在夾芯板組合的最外層美觀層中使用較低的纖維增強層。
最后但并非最不重要的一點是，在高產量/低利潤的汽車行業中，直接和間接成本始終是一個敏感點。當復合材料行業致力于改進材料和工藝以應對一個又一個車身面板挑戰時，鋁和鋼鐵行業的同行們也在不斷改進他們的材料和工藝。即使在今天，除非改用復合材料能使汽車減輕大量重量、帶來重要的制造優勢或使安全性或功能性達到新的水平，否則大多數汽車制造商都會拒絕使用復合材料，除非使用復合材料的成本至少與傳統材料持平或更低。
